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第19卷第3期(总75期),() 文章编号:16712850X(2005)0320321204基于VHDL语言的数字频率计设计林晓焕1,林刚2(,陕西西安710048;,陕西西安710089X)摘要:传统数字频率计由于在高频段受基准时钟频率的限制,,、开发环境、设计步骤、设计框架,以及应用VHDL语言对系统的实现方法,+PLUSê对系统进行仿真验证,结果表明所设计的数字频率计不但测频精度达到较高的水平,:数字频率计;VHDL语言;可编辑逻辑器件(FPGA)中图分类号:TN095 文献标识码:A 频率信号抗干扰性强,易于传输,可以获得较高的测量精度,,其测量范围、,但由于单片机本身也受到工作频率及内部计数器位数等因素的限制,,能够将大量的逻辑功能集成于一个单个器件中,根据不同的需要所提供的门数可以从几百门到上百万门,,而且在基准频率及精度等外部条件的允许下,根据不同场合的精度要求,对硬件描述语言进行一定的改动,使系统在精度提高的同时,用较少的器件来实现系统的功能,,系统芯片(SOC)的发展也要求其包含频率测量的功能,,频率测量范围为1Hz~50MHz,输入信号电压幅度为50mV~5V,测量精度为10- 设计原理目前常用的测频方法可以分为3类,即:(1) 比较法通过与标准频率f0比较确定被测频率fx,,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured法有用于低频频率测量的拍频法、示波器法和用于高频频段测量的差频法等.(2) 电路频率特性测量法由电路的已知参数与电路的频率特性得到被测频率fx,主要方法包括用于低频段的电桥法和用于高频或微波频段的谐振法.(3) ,:2004212215通讯作者:林晓焕(19642),女,陕西省西安市人,西安工程科技学院副教授,:linxiaohuan325@本文采用在直接计数基础上发展出的多周期同步测频法[1],,两组计数器开始计数,分别记录待测信号和时基脉冲信号;当控制线路给出闸门关闭信号,并在待测信号下降沿到来时结束计数,=(Nx?N0)f0.(1)式中f0时基信号,由晶振产生;Nx为待测信号的计数值;N0为时基信号的计数值; ,对于此方法,其实际闸门与设定的闸门并不严格相等,,消除了传统直接测频法闸门开启时间与记数脉冲之间时基关系的不相关性,也就消除了由此引起的对待测信号记号产生的±1误差,提高了测量精度,,对测频结果会产生一定的影响,并且被测频率越高,(1)式微分得到:dfx=-(Nx?N20)f0dN0+(Nx?N0)=±1,S=Nx?fseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredx=N0?f0,则有dfx?fx=±1?(S?f0)+df0?f0,(2)其中df0??f0与±1?(S?f0)相比特别小时,对其忽略不记,则测频的相对误差为 dfx?fx=±1?(S?f0).(3)此时相对误差仅及闸门时间与时基频率有关,当然,要想进一步提高测频精度,,,当输入闸门时间内待测频率的测量结果大于基准时钟频率时, 系统的开发环境与设计步骤本数字频率计系统在ALTERA公司的MAX+PLUSê开发环境下,+PLUSê开发环境综合了器件的物理结构,提供了各种的优化措施,+PLUSê提供了原理图形、文本、波形等多种输入手段,配备有编辑、编译、仿真、综合等多项功能,可方便的将电路描述程序做成ASIC芯片,具有运行速度快、界面统一、+PLUSê进行FPGA开发的流程如图2示. 而VHDL语言标准规范,易于共享与复用,,VHDL语言逐渐成为系统设计领域最佳的硬件描述语言,其强大的行为描述能力避开了具体的硬件结构,为从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统提供了重要保证[2].与传统的硬件描述语言相比,VHDL语言不但设计功能强大,具有多层次的设计描述功能,可以进行与工艺无关的编程,而且方法灵活,支持广泛,,能够将大量的逻辑功能集成到一个单片集成电路中,具有门阵列的高逻辑密度与通用性几用户可severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,,VHDL语言程序综合成为具体的FPGA等目标器件的网表文件已不成问题[3],322 系统的结构框图3 系统设计与VHDL语言实现整个系统根据各自功能与控制的关系分为5大模块,此5大模块按照相互间的信号连接关系组合起来,,由于FPGA只能实现数字电路,、变换后的规则方波信号,电压幅值为0~,所有的控制信号几乎都由此模块产生,,实现系统内部的复位、开始测频等功能,,使所产生的测量开始指令脉冲的宽度符合基准时间产生模块的输入要求,然后检测各输入信号,确定各模块的复位、测量、,,则输出频率测量开始脉冲信号,使基准时间产生模块开始频率测量,同时送到优化模块,复位优化模块的内部变量,,系统只需在开始施加一次频率测量开始脉冲信号,,,,测频精度越高;反之,,,都先对计数模块进行复位,清除计数结果,、开始指令,,,清除上一次计数severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured结果并进行新的计数,,以允许优化模块对测频结果进行优化,,,采用直接测量法;当待测频率小于基准时钟频率时,,系统在低频和高频段都能实现较高的测频精度,突破了基准时钟频率对精度的限制,,,把加权平均的结果作为系统最后的测频结果,,,产生一标志信号,送到控制模块,以便新的一轮的频率测量,,,,表示该数码管被选中有效,, 数字频率计系统结构整个系统有4个输入信号,分别为基准时钟信号、待测时钟信号、系统复位信号(高电平有效)和开始测量脉冲信号;输出信号有2个,即各个数码管选通信号和系统输出数据信号,:(1) 基准时钟信号由外加晶振提供,同时作用于系统的severalgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasuredseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement,Generalinironanglecodebitatmeasurementlevelpointsgriderrors,omethylverticalboxcenterlinedistancefora,,tobverticalboxdistanceforb,listcanmeasured5个模块,整个系统都以它为基准,基准频率经二分频后得到各模块内部所用的时钟信号.(2) 待测时钟信号作用于计数模块,经过外加整形电路的整形与放大,符合标准方波的输入要求.(3) 系统复位信号作用于控制模块,用于对整个系统的复位工作,,系统复位后处于等待测量状态.(4) 系统开始测量信号指示系统开始连续不间断的测量,作用于控制模块,,就开始对待测时钟信号进行频率测量并输出测量结果.(5) 输出的数码管选通信号和系统输出数据信号用于控制数码管的实时显示,控制信号低电平时表示该控制信号对应的数码管可以进行显示操作, 结束语采用自上而下的设计方法,将数字频率计系统划分为5个子模块,针对各个子模块分别进行设计与编程,充分利用VHDL语言的并行处理功能,+PLUSê的仿真验证,最终完全实现了预定的功能,在测量范围、测量精度、~50MHz的频率范围,其测量精度达10-7Hz,并且在低频和高频都具有较好的测频性能,:[1] [J].IEEETransInstruMeas,1992,41(3):3902396.[2] 侯伯享,[M].西安:西安电子科技大学出版社,.[3] 、设计与应用[M].天津:天津大学出版社,,LINGang2(&Information,XAUEST,Xi’an710048,China;,Xi’an710089,China)Abstract:Theprecisionoftraditionaldigitalcymometerisprodigiouslimitedbythenormclockfrequency,especiallyinthehighfrequencyband,,thedigitalcymometer’sdesignprincipleandprocess,exploitenvironment,frameworkandrealizationmethodbyVHDLarediscussedindetail,andthemodulesandinput?outputsignals’+PLUSê,wecanseethatthedigitalseveralgroupnumber,thenwithb±a,=c,-2~3measurement,suchasproceedsofcvaluesareequalandequaltothedesignvalue,,b,andcvalueswhileonhorizontalverticalerrorsformeasurement